Аэродинамическая оптимизация пространственной формы лопатки рабочего колеса сверхзвуковой компрессорной ступени
Работа посвящена аэродинамической оптимизации высоконагруженного рабочего колеса сверхзвуковой компрессорной ступени. В качестве основного инструмента используется численное моделирование течения в колесе на основе полных осредненных уравнений Навье–Стокса и двухпараметрической модели турбулентности...
Збережено в:
| Дата: | 2016 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут технічної механіки НАН України і НКА України
2016
|
| Назва видання: | Техническая механика |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/141079 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Аэродинамическая оптимизация пространственной формы лопатки рабочего колеса сверхзвуковой компрессорной ступени / Ю.А. Кваша, Н.А. Зиневич // Техническая механика. — 2016. — № 3. — С. 35-42. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-141079 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1410792025-02-09T09:31:57Z Аэродинамическая оптимизация пространственной формы лопатки рабочего колеса сверхзвуковой компрессорной ступени Кваша, Ю.А. Зиневич, Н.А. Работа посвящена аэродинамической оптимизации высоконагруженного рабочего колеса сверхзвуковой компрессорной ступени. В качестве основного инструмента используется численное моделирование течения в колесе на основе полных осредненных уравнений Навье–Стокса и двухпараметрической модели турбулентности. Особенностями используемого подхода к оптимизации являются: применение достаточно “грубых” расчетных сеток, сохраняющих, однако, чувствительность результатов расчета к изменению формы лопатки; формулировка критериев качества как осредненных по расходу воздуха величин энергетических характеристик рабочего колеса; применение достаточно простого способа варьирования пространственной формы лопатки колеса; поиск оптимальной пространственной формы лопатки с использованием точек равномерно распределенных последовательностей в пространстве переменных. В результате проведенного исследования выбраны два варианта пространственной формы лопатки колеса, обеспечивающие увеличение значений его энергетических характеристик по сравнению с прототипом (в первом случае получено только повышение адиабатического КПД, во втором – повышение КПД и степени сжатия колеса). Роботу присвячено аеродинамічній оптимізації високонавантаженого робочого колеса надзвукового компресорного ступеня. Як основний інструмент використовується числове моделювання течії в колесі на основі повних осереднених рівнянь Нав’є–Стокса й двопараметричної моделі турбулентності. Особливостями використовуваного підходу до оптимізації є: застосування досить “грубих” розрахункових сіток, що зберігають, однак, чутливість результатів розрахунку до зміни форми лопатки; формулювання критеріїв якості як осереднених по витраті повітря величин енергетичних характеристик робочого колеса; застосування досить простого способу варіювання просторової форми лопатки колеса; пошук оптимальної просторової форми лопатки з використанням точок рівномірно розподілених послідовностей у просторі змінних. У результаті проведеного дослідження обрано два варіанти просторової форми лопатки колеса, що забезпечують збільшення значень його енергетичних характеристик у порівнянні із прототипом (у першому випадку отримано тільки підвищення адіабатичного ККД, у другому – підвищення ККД і ступеня стиску колеса). The study is addressed to an aerodynamic optimization of a high-loaded impeller of a supersonic compressor stage. A numerical simulation of the flow through the impeller is the basic tool using the complete averaged Navier–Stocks equations and a two-parameter model of turbulence. The special features of the approach used are the application of sufficiently rough computational grids sensitive to variations in the blade form; the formulation of the qualitative criteria as values of the power characteristics of the impeller averaged on the air flow; the application of a sufficiently simple procedure of variations in a spatial form of the impeller blade; the search of an optimal spatial form of the blade using points of the equally distributed sequences in space of variables. From the study made two versions of a spatial form of the impeller blade have been chosen providing an increase in values of its power characteristics in comparison with the prototype (in the first case an adiabatic efficiency only increases, in the second case an adiabatic efficiency and the pressure ratio of the impeller increase). 2016 Article Аэродинамическая оптимизация пространственной формы лопатки рабочего колеса сверхзвуковой компрессорной ступени / Ю.А. Кваша, Н.А. Зиневич // Техническая механика. — 2016. — № 3. — С. 35-42. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. 1561-9184 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/141079 533.697:621.51 ru Техническая механика application/pdf Інститут технічної механіки НАН України і НКА України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Работа посвящена аэродинамической оптимизации высоконагруженного рабочего колеса сверхзвуковой компрессорной ступени. В качестве основного инструмента используется численное моделирование течения в колесе на основе полных осредненных уравнений Навье–Стокса и двухпараметрической модели турбулентности. Особенностями используемого подхода к оптимизации являются: применение достаточно “грубых” расчетных сеток, сохраняющих, однако, чувствительность результатов расчета к изменению формы лопатки; формулировка критериев качества как осредненных по расходу воздуха величин энергетических характеристик рабочего колеса; применение достаточно простого способа варьирования пространственной формы лопатки колеса; поиск оптимальной пространственной формы лопатки с использованием точек равномерно распределенных последовательностей в пространстве переменных. В результате проведенного исследования выбраны два варианта пространственной формы лопатки колеса, обеспечивающие увеличение значений его энергетических характеристик по сравнению с прототипом (в первом случае получено только повышение адиабатического КПД, во втором – повышение КПД и степени сжатия колеса). |
| format |
Article |
| author |
Кваша, Ю.А. Зиневич, Н.А. |
| spellingShingle |
Кваша, Ю.А. Зиневич, Н.А. Аэродинамическая оптимизация пространственной формы лопатки рабочего колеса сверхзвуковой компрессорной ступени Техническая механика |
| author_facet |
Кваша, Ю.А. Зиневич, Н.А. |
| author_sort |
Кваша, Ю.А. |
| title |
Аэродинамическая оптимизация пространственной формы лопатки рабочего колеса сверхзвуковой компрессорной ступени |
| title_short |
Аэродинамическая оптимизация пространственной формы лопатки рабочего колеса сверхзвуковой компрессорной ступени |
| title_full |
Аэродинамическая оптимизация пространственной формы лопатки рабочего колеса сверхзвуковой компрессорной ступени |
| title_fullStr |
Аэродинамическая оптимизация пространственной формы лопатки рабочего колеса сверхзвуковой компрессорной ступени |
| title_full_unstemmed |
Аэродинамическая оптимизация пространственной формы лопатки рабочего колеса сверхзвуковой компрессорной ступени |
| title_sort |
аэродинамическая оптимизация пространственной формы лопатки рабочего колеса сверхзвуковой компрессорной ступени |
| publisher |
Інститут технічної механіки НАН України і НКА України |
| publishDate |
2016 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/141079 |
| citation_txt |
Аэродинамическая оптимизация пространственной формы лопатки рабочего колеса сверхзвуковой компрессорной ступени / Ю.А. Кваша, Н.А. Зиневич // Техническая механика. — 2016. — № 3. — С. 35-42. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. |
| series |
Техническая механика |
| work_keys_str_mv |
AT kvašaûa aérodinamičeskaâoptimizaciâprostranstvennojformylopatkirabočegokolesasverhzvukovojkompressornojstupeni AT zinevična aérodinamičeskaâoptimizaciâprostranstvennojformylopatkirabočegokolesasverhzvukovojkompressornojstupeni |
| first_indexed |
2025-11-25T07:08:11Z |
| last_indexed |
2025-11-25T07:08:11Z |
| _version_ |
1849745202705596416 |
| fulltext |
35
УДК 533.697:621.51
Ю. А. КВАША, Н. А. ЗИНЕВИЧ
АЭРОДИНАМИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ
ФОРМЫ ЛОПАТКИ РАБОЧЕГО КОЛЕСА СВЕРХЗВУКОВОЙ
КОМПРЕССОРНОЙ СТУПЕНИ
Работа посвящена аэродинамической оптимизации высоконагруженного рабочего колеса сверхзву-
ковой компрессорной ступени. В качестве основного инструмента используется численное моделирование
течения в колесе на основе полных осредненных уравнений Навье–Стокса и двухпараметрической модели
турбулентности. Особенностями используемого подхода к оптимизации являются: применение достаточно
“грубых” расчетных сеток, сохраняющих, однако, чувствительность результатов расчета к изменению
формы лопатки; формулировка критериев качества как осредненных по расходу воздуха величин энерге-
тических характеристик рабочего колеса; применение достаточно простого способа варьирования про-
странственной формы лопатки колеса; поиск оптимальной пространственной формы лопатки с использо-
ванием точек равномерно распределенных последовательностей в пространстве переменных. В результате
проведенного исследования выбраны два варианта пространственной формы лопатки колеса, обеспечи-
вающие увеличение значений его энергетических характеристик по сравнению с прототипом (в первом
случае получено только повышение адиабатического КПД, во втором – повышение КПД и степени сжатия
колеса). Обоснованность данного выбора подтверждена последующим расчетом энергетических характе-
ристик рабочего колеса с исходной и оптимизированными лопатками на подробной расчетной сетке. В
целом продемонстрировано, что на основе предложенного рационального выбора сравнительно неболь-
шого числа параметров, применяемых для варьирования пространственной формы лопатки колеса, может
быть существенно повышена его степень сжатия при одновременном увеличении адиабатического КПД.
Полученные в работе результаты могут быть использованы при аэродинамической оптимизации про-
странственной формы лопаток неподвижных и вращающихся лопаточных венцов компрессоров.
Роботу присвячено аеродинамічній оптимізації високонавантаженого робочого колеса надзвукового
компресорного ступеня. Як основний інструмент використовується числове моделювання течії в колесі на
основі повних осереднених рівнянь Нав’є–Стокса й двопараметричної моделі турбулентності. Особливос-
тями використовуваного підходу до оптимізації є: застосування досить “грубих” розрахункових сіток, що
зберігають, однак, чутливість результатів розрахунку до зміни форми лопатки; формулювання критеріїв
якості як осереднених по витраті повітря величин енергетичних характеристик робочого колеса; застосу-
вання досить простого способу варіювання просторової форми лопатки колеса; пошук оптимальної прос-
торової форми лопатки з використанням точок рівномірно розподілених послідовностей у просторі змін-
них. У результаті проведеного дослідження обрано два варіанти просторової форми лопатки колеса, що
забезпечують збільшення значень його енергетичних характеристик у порівнянні із прототипом (у першо-
му випадку отримано тільки підвищення адіабатичного ККД, у другому – підвищення ККД і ступеня сти-
ску колеса). Обґрунтованість даного вибору підтверджено наступним розрахунком енергетичних характе-
ристик робочого колеса з вихідною й оптимізованою лопатками на детальній розрахунковій сітці. У ціло-
му продемонстровано, що на основі запропонованого раціонального вибору порівняно невеликого числа
параметрів, застосовуваних для варіювання просторової форми лопатки колеса, може бути істотно підви-
щено його ступінь стиску при одночасному збільшенні адіабатичного ККД. Отримані в роботі результати
можуть бути використані при аеродинамічній оптимізації просторової форми лопаток нерухомих і оберто-
вих лопаткових вінців компресорів.
The study is addressed to an aerodynamic optimization of a high-loaded impeller of a supersonic compres-
sor stage. A numerical simulation of the flow through the impeller is the basic tool using the complete averaged
Navier–Stocks equations and a two-parameter model of turbulence. The special features of the approach used are
the application of sufficiently rough computational grids sensitive to variations in the blade form; the formulation
of the qualitative criteria as values of the power characteristics of the impeller averaged on the air flow; the appli-
cation of a sufficiently simple procedure of variations in a spatial form of the impeller blade; the search of an
optimal spatial form of the blade using points of the equally distributed sequences in space of variables. From the
study made two versions of a spatial form of the impeller blade have been chosen providing an increase in values
of its power characteristics in comparison with the prototype (in the first case an adiabatic efficiency only in-
creases, in the second case an adiabatic efficiency and the pressure ratio of the impeller increase). A given choice
is validated by the subsequent computation of the power characteristics of the impeller with the reference and
optimized blades using a comprehensive computational grid. It is demonstrated as a whole that based on the pro-
posed rational choice of a moderate number of the parameters employed for varying a spatial form of the blade, its
pressure ratio can be increased significantly in a simultaneous increase in an adiabatic efficiency. The research
results can be used for an aerodynamic optimization of a spatial form of blades of fixed and rotating blade rims of
compressors.
Ключевые слова: аэродинамическая оптимизация, рабочее колесо компрес-
сорной ступени, численное моделирование, пространственная форма лопатки, энер-
Ю. А. Кваша, Н. А. Зиневич, 2016
Техн. механика. – 2016. – № 3.
36
гетические характеристики.
При аэродинамической оптимизации лопаточных венцов компрессоров и
турбин, основанной на применении численного моделирования трехмерных
турбулентных течений газа, имеют место следующие три затруднения [1].
1. Использование численного моделирования на основе полных трех-
мерных уравнений Навье–Стокса приводит к тому, что время вычисления
одного режима течения становится очень большим и полное время оптими-
зации становится неприемлемым для практики.
2. Результаты оптимизации зависят от используемого алгоритма оптими-
зации. В большинстве случаев пространство параметров соответствует мно-
гоэкстремальной задаче, и для определения глобального оптимума необхо-
димо применение алгоритмов зондирования всей области параметров.
3. Непростой задачей является описание пространственной формы лопа-
ток с использованием небольшого числа параметров. Если задавать геомет-
рические параметры, непосредственно описывающие сложную трехмерную
форму лопатки, число этих параметров стремится к очень большой величине.
При этом в процессе оптимизации могут рассматриваться много случаев, ко-
торые являются неприемлемыми. Эти факторы увеличивают время оптими-
зации, и основным требованием здесь является уменьшение числа проектных
параметров.
Для преодоления указанных трудностей используются различные подхо-
ды, такие как построение “поверхностей отклика” [2, 3] на основе результа-
тов небольших серий расчетов значений целевой функции; использование
методов глобального зондирования области варьируемых параметров и мето-
дов градиентного поиска [1, 4 – 8]; применение сплайн-аппроксимаций раз-
личного вида [9 – 11] для описания формы профилей лопаток и другие. При
этом исследования, направленные на дальнейшее развитие методов аэроди-
намической оптимизации компрессоров и турбин, продолжают оставаться
актуальными.
В работе [12] предложена экономичная методика аэродинамической оп-
тимизации компрессорных венцов на основе численного моделирования про-
странственных турбулентных газовых течений. Главными особенностями
методики являются: применение достаточно “грубых” расчетных сеток, со-
храняющих, тем не менее, чувствительность результатов расчета к измене-
нию формы лопаток; поиск оптимальных геометрических параметров лопа-
ток с использованием точек равномерно распределенных последовательно-
стей в пространстве переменных.
Цель данной работы – аэродинамическая оптимизация высоконагружен-
ного рабочего колеса компрессорной ступени на основе указанной эконо-
мичной методики, дополненной простым способом варьирования простран-
ственной формы лопаток.
Для оптимизации было выбрано хорошо известное в имеющейся литера-
туре рабочее колесо Rotor-37 сверхзвуковой компрессорной ступени [13].
Численное моделирование пространственного турбулентного потока в
межлопаточных каналах рабочего колеса производилось на основе метода
[14], разработанного в Институте технической механики Национальной ака-
демии наук Украины и Государственного космического агентства Украины.
В данном методе исходными уравнениями математической модели течения
37
являются полные осредненные уравнения Навье–Стокса и уравнения ( k )-
модели турбулентности. В качестве основных переменных приняты контра-
вариантные составляющие скорости потока. Граничные условия на поверх-
ностях лопаток и ограничивающих стенках проточной части лопаточного
венца ставятся на основе метода пристеночных функций, что позволяет ис-
пользовать расчетные сетки со сравнительно небольшим числом узлов. Рабо-
тоспособность метода подтверждена, например, в [15].
При проведении аэродинамической оптимизации применялась расчетная
сетка, содержащая 1414 34 узлов (по высоте, ширине и длине межлопаточ-
ного канала) в соответствии с [12, 16].
Как и в работе [12], в роли критериев качества рассматривались величи-
ны энергетических характеристик колеса: адиабатический КПД ..кр и сте-
пень сжатия ..кр , осредненные по расходу воздуха через колесо. Эти вели-
чины определялись в каждом случае по результатам серии расчетов течения в
колесе на различных режимах работы по расходу воздуха и при фиксирован-
ной форме лопаток.
В настоящей работе использована следующая методика описания и варь-
ирования пространственной формы компрессорной лопатки.
Предполагается, что форма лопатки задана совокупностью профилей в
сечениях лопатки, расположенных на различных радиусах проточной части
компрессорного венца.
Каждый профиль описывается следующим набором чисел и функций:
– величиной угла установки ;
– функцией xу ( 10 x , 010 yy ), задающей в безразмерном
виде среднюю линию профиля, при этом характерным масштабом является
длина хорды профиля l ;
– функцией x ( 10 x ), задающей в безразмерном виде толщину
профиля (характерный масштаб – l );
– длиной хорды профиля l .
Варьирование геометрической формы профиля производится с использо-
ванием четырех параметров (далее звездочкой отмечены новые значения ве-
личин и функций, получающиеся в результате варьирования)
~ , (1)
1xyxу , 10 x , (2)
xxxx
xyy
1
, 10 x , (3)
1ll , (4)
2
1
1
xx , 10 x , (5)
38
где ~ – параметр, задающий изменение угла установки профиля; – пара-
метр, определяющий растяжение графика функции xу вдоль оси y ; –
параметр, используемый для “деформации” графика функции xу вдоль оси
x (при этом можно изменять положение точки максимального прогиба про-
филя); – параметр, определяющий изменение длины хорды профиля.
Формулы (3) описывают зависимость xу , заданную параметрически.
Использование выражения (5) позволяет в первом приближении учесть тре-
бования, предъявляемые к прочности лопатки, путем сохранения площади
профиля неизменной при варьировании его длины.
Соотношения (1) – (5) применяются для каждого профиля из имеющейся
совокупности профилей в сечениях лопатки.
При проведении оптимизации в данном исследовании величины ~ , ,
и задавались в трех сечениях лопатки, соответствующих радиусу втулки,
среднему радиусу и радиусу периферии проточной части венца. Таким обра-
зом, при оптимизации использовалось двенадцать независимых переменных.
Значения указанных параметров вычислялись по формулам
502 1 ,~~
max xh , 502 2 ,~~
max xm , 502 3 ,~~
max xt ,
502 4 ,max xh , 502 5 ,max xm , 502 6 ,max xt ,
502 7 ,max xh , 502 8 ,max xm , 502 9 ,max xt ,
502 10 ,max xh , 502 11 ,max xm , 502 12 ,max xt ,
где индексами h , m и t отмечены величины соответственно во втулочном,
среднем и периферийном сечениях лопатки; индексом max обозначены мак-
симальные по модулю значения параметров; 1221 xxx ,...,, – координаты
точки равномерно распределенной последовательности в единичном кубе,
которые рассчитывались в соответствии с методом, описанным в [17]. Мак-
симальные значения параметров были приняты следующими: 4max
~ ;
30,max ; 40,max ; 250,max . В промежуточных сечениях лопатки ве-
личины ~ , , и определялись с использованием зависимостей, обеспе-
чивающих гладкую монотонную интерполяцию значений этих параметров на
интервалах от втулочного до среднего сечения и от среднего до периферий-
ного сечения лопатки.
В таблице приведены полученные в результате численного моделирова-
ния величины критериев качества ..кр и ..кр , а также значения максималь-
ного расхода воздуха maxG для рабочего колеса, формы лопаток которого
соответствуют 32 точкам равномерно распределенной последовательности в
единичном кубе. Точка номер 1 имеет координаты 12150 ,;, ix i . Эта
точка определяет исходную пространственную форму лопатки колеса. Рас-
смотрение приведенных в таблице данных показывает, что имеются, по край-
ней мере, две точки последовательности в пространстве переменных, пред-
ставляющие интерес для аэродинамической оптимизации формы лопатки.
39
Точке номер 15 соответствует формально самое большое значение ..кр , пре-
вышающее исходное значение ..кр в точке номер 1 на 2,1 %. Точке номер
28 соответствует практически такое же высокое значение ..кр , как и точке
номер 15, но в точке номер 28 достигается самое высокое значение ..кр ,
превышающее исходное значение в точке номер 1 на 7,6 % .
Таблица
Номер точки ..кр
..кр maxG , кг/с
1 0,824 1,950 21,04
2 0,828 1,964 21,50
3 0,800 1,855 20,56
4 0,832 2,026 21,65
5 0,797 1,787 19,30
6 0,812 1,933 20,59
7 0,797 1,836 22,28
8 0,798 1,860 21,41
9 0,812 1,941 20,58
10 0,811 1,843 21,06
11 0,815 1,974 20,95
12 0,832 1,975 20,15
13 0,796 1,798 21,78
14 0,804 1,924 20,63
15 0,841 1,896 20,48
16 0,822 1,909 21,16
17 0,837 2,025 19,94
18 0,837 1,945 20,40
19 0,789 1,843 21,36
20 0,827 1,979 20,06
21 0,797 1,816 21,10
22 0,800 1,910 21,01
23 0,801 1,743 21,18
24 0,829 1,925 20,95
25 0,826 2,046 22,51
26 0,809 1,823 22,00
27 0,770 1,697 19,56
28 0,840 2,107 21,50
29 0,779 1,735 20,75
30 0,787 1,794 19,18
31 0,820 1,867 21,6
32 0,831 2,072 21,27
40
Точка номер 15 имеет координаты (0,938; 0,063; 0,563; 0,938; 0,313;
0,438; 0,813; 0,688; 0,438; 0,813; 0,938; 0,063), точка номер 28 – (0,219; 0,844;
0,219; 0,531; 0,906; 0,469; 0,906; 0,719; 0,156; 0,781; 0,781; 0,219).
В окрестности точки номер 15 было проведено дополнительное исследо-
вание градиентным методом, в качестве функции цели рассматривалась ве-
личина ..кр1 . В результате на расстоянии 0,6 от точки номер 15 была оп-
ределена точка, где ..кр = 0,854. Однако дальнейшие расчеты энергетиче-
ских характеристик исследуемого рабочего колеса в последней точке, вы-
полненные с использованием подробной расчетной сетки (содержащей
304080 узлов), показали, что в периферийной области лопаток колеса
формируется отрыв потока, не определяемый на “грубой” сетке и существен-
но уменьшающий диапазон режимов работы колеса по расходу воздуха. Дан-
ный результат свидетельствует о необходимости уточнения результатов аэ-
родинамической оптимизации с использованием подробных расчетных сеток.
В соответствии с ука-
занным обстоятельством
проведено численное мо-
делирование течения в
исследуемом колесе на
сетке, содержащей
304080 узлов. Резуль-
таты расчетов показаны
на рис. 1 в виде энергети-
ческих характеристик ра-
бочего колеса при исход-
ной (позиция 1) и опти-
мизированных простран-
ственных формах лопат-
ки; последние соответст-
вуют точкам номер 15
(позиция 2) и номер 28
(позиция 3) в таблице.
Там же кружками обозна-
чены экспериментальные
данные для исходной
формы лопатки [13].
Рассмотрение приве-
денных результатов расче-
тов показывает, что вари-
ант пространственной
формы лопатки, при кото-
ром реализуется зависи-
мость 2, обеспечивает
увеличение максимального значения КПД колеса на 1,6 % по сравнению с
его величиной при исходной форме лопатки. При этом степень сжатия колеса
при расходе воздуха, соответствующем максимуму КПД, уменьшается на
1,3 % по сравнению с аналогичной величиной на зависимости 1.
41
Вариант формы лопатки, при котором реализуется зависимость 3, позво-
ляет, как показывают расчеты, увеличить максимальное значения КПД коле-
са на 0,9 % по сравнению с его величиной при исходной форме лопатки. В
этом случае существенно (на 8,1 % по сравнению с аналогичной величиной
на зависимости 1) повышается степень сжатия колеса при расходе воздуха,
соответствующем максимуму КПД.
Рис. 2
Отмеченное выше увеличение максимального значения адиабатического
КПД рабочего колеса на 1,6 % по сравнению с его величиной при исход-
ной форме лопатки приводит к заметному уменьшению зоны отрыва потока,
характерной для исследуемого рабочего колеса даже при максимальном зна-
чении КПД. Это иллюстрирует рис. 2, где показаны меридиональные проек-
ции векторов скорости потока вблизи стороны разрежения лопатки на выходе
из колеса. Рис. 1, а) описывает течение при исходной форме лопатки,
рис. 1, б) – при модифицированной лопатке, соответствующей точке 15 в таб-
лице.
Выводы. Выполнена аэродинамическая оптимизация высоконагружен-
ного рабочего колеса сверхзвуковой компрессорной ступени на основе чис-
ленного моделирования пространственных турбулентных газовых течений.
Расчетным путем показано, что на основе рационального выбора сравнитель-
но небольшого числа параметров, применяемых для варьирования простран-
ственной формы лопатки колеса, может быть существенно повышена его
степень сжатия при одновременном увеличении адиабатического КПД.
Полученные результаты предполагается использовать в дальнейшем при
аэродинамической оптимизации геометрических параметров неподвижных и
вращающихся лопаточных венцов компрессоров.
42
1. Ashihara K. Turbomachinery blade design using 3-D inverse design method, CFD and optimization algorithm
/ K. Ashihara, A. Goto // Proc. of ASME TURBO EXPO 2001. – New Orleans, Louisiana (USA), 2001. – 9 p.
2. Chan-Sol Ahn. Aerodynamic design optimization of an axial flow compressor rotor / Chan-Sol Ahn, Kwang-
Yong Kim // Proc. of ASME TURBO EXPO 2002. – Amsterdam (The Netherlands), 2002. – 7 p.
3. Sivashanmugam V. K. Aero-structural optimization of an axial turbine stage in three-dimensional flow /
V. K. Sivashanmugam, M. Arabnia, W. Ghaly // Proc. of ASME TURBO EXPO 2010. – Glasgow (UK), 2010. – 14 p.
4. Ершов С. В. Аэродинамическая оптимизация пространственной формы лопаток паровых и газовых
турбин / С. В. Ершов, В. А. Яковлев // Авиационная космическая техника и технология. – 2008. – № 7. –
С. 66 – 70.
5. Меняйлов А. В. Применение эволюционных методов для решения задач оптимизации компрессоров
газотурбинных двигателей / А. В. Меняйлов, А. А. Трончук, Е. М. Угрюмова // Авиационно-космическая
техника и технология. – 2008. – № 5. – С. 59 – 65.
6. Jinguang Yang. Multi-row inverse method based on the adjoint optimiza-
tion / Jinguang Yang, Xiuquan Huang, Hu Wu // Proc. of ASME TURBO EXPO 2011. – Vancouver, British
Columbia (Canada), 2011. – 11 p.
7. Xiang X. Optimum initial design of centrifugal compressor stage with genetic algorithm / X. Xiang,
X. L. Zhao // Proc. of XV Int. Symp. on Air Breathing Engines. – Bangalore (India), 2001. – 6 p.
8. Oksuz O. Turbine cascade optimization using an Euler coupled genetic algorithm / O. Oksuz, I. S. Akmandor
// Proc. of XV Int. Symp. on Air Breathing Engines. – Bangalore (India), 2001. – 9 p.
9. Rongye Zheng. Blade geometry optimization for axial flow compressor / Rongye Zheng, Jianhua Xiang, Jinju
Sun // Proc. of ASME TURBO EXPO 2010. – Glasgow (UK), 2010. – 12 p.
10. Xu C. A turbine airfoil aerodynamic design process / C. Xu, R. S. Amano // Proc. of ASME TURBO EXPO
2001. – New Orleans, Louisiana (USA), 2001. – 10 p.
11. Мелашич С. В. Способ параметрического описания профилей компрессорных решеток / С. В. Мелашич
// Техническая механика. – 2012. – № 2. – С. 77 – 82.
12. Кваша Ю. А. К аэродинамической оптимизации рабочих колес сверхзвуковых компрессорных ступе-
ней / Ю. А. Кваша, Н. А. Зиневич // Техническая механика. – 2016. – № 2. – С. 55 – 63.
13. Design and Overall Performance of Four Highly Loaded, High-Speed Inlet Stages for an Advanced High-
Pressure-Ratio Core Compressor : NASA Technical Paper 1337. – 1978. – 132 p.
14. Кваша Ю. А. Расчет пространственного турбулентного потока в межлопаточных каналах сверхзвуко-
вых компрессорных ступеней / Ю. А. Кваша // Техническая механика. – 1999. – №1. – С. 9 – 13.
15. Численное исследование двухступенчатого вентилятора / Е. Ю. Рублевский, Д. А. Плакущий,
В. И. Письменный, Ю. А. Кваша // Вестник двигателестроения. – 2013. – № 2. – С. 169 – 176.
16. Кваша Ю. А. К выбору расчетных сеток при численном моделировании пространственных турбулент-
ных течений в рабочих колесах сверхзвуковых компрессорных ступеней / Ю. А. Кваша, Н. А. Зиневич
// Техническая механика. – 2013. – № 3. – С. 34 – 41.
17. Соболь И. М. Выбор оптимальных параметров в задачах со многими критериями / И. М. Соболь,
Р. Б. Статников. – М. : Наука, 1981. – 110 с.
Институт технической механики Получено 19.09.2016,
Национальной академии наук Украины и в окончательном варианте 19.09.2016
Государственного космического агентства Украины,
Днепр
|